氣體和蒸汽的流動(流體)

第九章

氣體和蒸汽的流動

(GasandSteamFlow)2023/2/4工程中有許多流動問題需考慮宏觀動能和位能，特別

是噴管(nozzle;

jet)、擴壓管(diffuser)及節(jié)流閥(throttlevalve)內(nèi)流動過程的能量轉(zhuǎn)換情況。2023/2/4第一節(jié)絕熱流動的基本方程一概念穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流(穩(wěn)定流動)狀態(tài)不隨時間變化恒定的流量二幾個基本方程連續(xù)性方程絕熱穩(wěn)定流動能量方程定熵過程方程2023/2/4(1)連續(xù)性方程

const

由穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流特點適用于任何工質(zhì)可逆和不可逆過程截面面積氣流速度氣體比容2023/2/4(2)絕熱穩(wěn)定流動能量方程

適用于任何工質(zhì)可逆和不可逆過程注：增速以降低本身儲能為代價

p1T1qm1cf1

p2T2qm2cf2

2023/2/4(3)定熵過程方程式

=const

可逆絕熱過程方程式適用條件:(1)理想氣體(2)定比熱(3)可逆微分注意:變比熱時K取過程范圍內(nèi)的平均值2023/2/4三音速與馬赫數(shù)

微小擾動在流體中的傳播速度壓力波的傳播過程可作定熵過程處理(1)

音速定義式:定熵過程理想氣體只隨絕對溫度而變2023/2/4(2)

馬赫數(shù)流速當?shù)匾羲?/p>

定義式M>1

超音速M=1

臨界音速M<1亞音速312三種音速subsonicvelocitysonicvelocitysupersonicvelocity2023/2/49-62023/2/42023/2/4第二節(jié)

定熵流動的基本特性

一、氣體流速變化與狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系由定熵過程dh=vdp得dc>0dp<0由此可見導致dc<0dp>0導致噴管中的流動特性擴壓管中的流動特性2023/2/4二、管道截面變化的規(guī)律

連續(xù)性方程可逆絕熱過程方程管道截面變化氣流速度變化注:擴壓管dc<0,故不同音速下的形狀與噴管相反M<1M>1M<1M>1df<0漸縮df>0漸擴df<0df>0漸縮漸擴噴管dc>0M=1df=0臨界截面2023/2/4噴管和擴壓管流速變化與截面變化的關(guān)系流動狀態(tài)管道種類管道形狀M<1M>1dc>0dc<0噴管dp<012M<1漸縮漸擴擴噴管M<1轉(zhuǎn)M>1漸縮漸擴擴壓管M>1轉(zhuǎn)M<112M>1M=1M<1M>1擴壓管dp>012121212M=12023/2/4

1、設(shè)計：根據(jù)已給的流動條件，(初態(tài)和終壓)。求出口流速和流量并選擇噴管的外形尺寸。噴管的計算

2、校核：根據(jù)噴管的外形尺寸，求工況變化時的流量和流速。這一節(jié)的主要目的：

根據(jù)穩(wěn)定流動的基本方程來確定它們的計算公式及使用條件?！?-3

噴管中流速及流量計算

2023/2/4一定熵滯止參數(shù)將具有一定速度的氣流在定熵條件下擴壓，使其流速降低為零時的參數(shù)定義：參數(shù)表達式下角標為0的是定熵滯止參數(shù)下角標為1的是進口參數(shù)2023/2/4二、噴管的出口流速

由絕熱穩(wěn)定流動能量方程對理想氣體對實際氣體公式1公式22023/2/4

公式1－說明1、適用穩(wěn)流，絕熱、一切工質(zhì)、可逆與不可逆過程。2、理想氣體

3、水蒸汽：查h-s圖確定2023/2/4

公式2說明只決定于的比值，即是隨著的變化而相應(yīng)的變化。討論時，

時，

時但此速度實際上是不可能達到的，除非，否則不可能達到。說明：1、對漸縮噴管出口流速不可能達到（大于）音速

2、對于縮放噴管出口流速才能超過音速2023/2/4

三、臨界壓力比及臨界流速

（1）定義：a:臨界狀態(tài)：出口截面達到最小時的流體狀態(tài)為臨界狀態(tài)。此截面工質(zhì)的速度等于音速，此時截面流體參數(shù)為臨界參數(shù)。b：臨界音速：當氣流速度等于音速時，氣流處于亞音速和超音速轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)，這種真空狀態(tài)下的氣流速度稱臨界速度。c：臨界壓力比：ⅰ、處于臨界狀態(tài)下的壓力稱臨界壓力。ⅱ、臨界壓力與初壓力之比稱臨界壓力比

2023/2/4

三、臨界壓力比及臨界流速

(2)臨界壓力比計算代入出口流速方程臨界流速表達式定熵過程方程式：臨界壓力進口壓力特別的對雙原子氣體：

2023/2/4

三、臨界壓力比及臨界流速

幾點討論ⅰ當選漸縮ⅱ當ⅲ當選漸放噴管（漸擴）如已有減縮噴管，當氣體通過該噴管時應(yīng)作如下判斷。（1）當減縮噴管出口外界背壓時，則噴管出口截面上的壓力只能降低到臨界壓力即，此時噴管出口截面上流速（2）當減縮噴管出口外界背壓，則噴管出口截面上的壓力此時噴管流速。2023/2/4

三、臨界壓力比及臨界流速

（3）臨界流速計算2023/2/4四、流量與臨界流量一般通過計算最小截面的質(zhì)量流量由連續(xù)性方程知，各個截面的質(zhì)量流量相等（1）漸縮噴管的質(zhì)量流量計算12理想氣體的定熵流動出口截面質(zhì)量流量注意的取值2023/2/4（2）漸縮漸擴噴管的流量計算m0cba1.0正常工作時M=2023/2/4五、噴管的計算1

噴管的設(shè)計計算已知1)

當即

采用漸縮噴管。

2）當即采用縮擴噴管。

出發(fā)點：2023/2/4（2）漸縮噴管的校和計算已知1)

當即

2）當即

噴管的最大流量

kg/s

2023/2/49-122023/2/42023/2/42023/2/42023/2/49-212023/2/42023/2/42023/2/4§

9-4擴壓管定熵流動的基本關(guān)系式和管道截面變化規(guī)律的關(guān)系式相同擴壓管是在已知進口參數(shù)進口速度和出口速度的情況下計算出口壓力擴壓管與噴管的區(qū)別與聯(lián)系注:動能損失得越多壓力增加得越多2023/2/4擴壓管的擴壓比概念定義式進口壓力出口壓力由能量方程得則定熵過程2023/2/4§

9-5具有摩擦的流動

定義式實際出口速度定熵過程出口速度大致在0.94至0.98之間速度系數(shù)噴管效率消耗一部分功一般在0.9至0.95之間2023/2/4§

9-6絕熱節(jié)流

定義：氣體在管道中流過突然縮小的截面，

而又未及與外界進行熱量交換的過程特點：絕熱節(jié)流過程前后的焓相等，但整個過程絕不是等焓過程。

流體在通過縮孔時動能增加，壓力下降并產(chǎn)生強烈擾動和摩擦。擾動和摩擦的不可逆性，導致整個過程的不可逆性。在縮孔附近，流速，焓不可逆性：2023/2/4絕熱節(jié)流前后參數(shù)的變化(1)

對理想氣體12chp溫度不變壓力下降比容增加熵增加焓不變注:理想氣體的焓是溫度的單值函數(shù)2023/2/4(2)

對實際氣體節(jié)流前后焓不變,溫度不一定不變絕熱節(jié)流溫度